半導體材料領域國外標準現狀淺析

楊素心

半導體材料廣泛應用于通信、計算機、消費電子、工業應用、汽車電子、國防軍工等眾多戰略性新興產業。隨著云計算、物聯網、5G、人工智能等新興應用領域的發展，中國的半導體材料在國家政策的大力支持和市場需求的有力推動下得到了穩步成長。全球半導體產業鏈向中國大陸的轉移，更是加速了國內半導體材料的自主化需求，帶動了上游材料的發展。標準是規范產品生產、檢測、貿易的重要依據和技術支撐，本文詳細介紹了半導體材料領域國外標準現狀，并針對行業內廣泛使用并認可的SEMI標準進行了對比分析。

1 國外標準概況

半導體材料是指電阻率在10-3Ω·cm～108Ω·cm、導電能力介于導體和絕緣體之間的材料，主要包括元素半導體材料（含硅、鍺）和化合物半導體材料（含砷化鎵、磷化銦、碳化硅、氮化鎵、銻化鎵等）。

國際標準中，國際標準化組織（ISO）、國際電信聯盟（ITU）沒有半導體材料對應的歸口標委會以及標準，國際電工委員會（IEC）中較為相關的有IEC/TC 47半導體器件（Semiconductor devices）以及IEC/TC 82太陽光伏能源系統（Solar photovoltaic energy systems）技術委員會，二者均主要側重半導體材料的下游應用端，國內對口TC分別為TC78全國半導體器件標準化技術委員會、TC90 全國太陽光伏能源系統標準化技術委員會。

國外先進標準中，美國材料與試驗協會（ASTM）、日本工業標準調查會（JISC）也有半導體材料標準，但數量較少，在行業內的使用也不夠普及。國際半導體產業協會（SEMI）發布了百余項硅、砷化鎵、磷化銦、碳化硅相關的產品、測試方法標準，是半導體行業實際意義上的“國際標準”，也是本文分析的重點。

2 IEC標準

國際電工委員會半導體器件標準化技術委員會（IEC/TC 47）主要進行半導體器件領域的術語及定義、機械及試驗方法、晶圓級可靠性、質量、封裝、接口規范等技術方向標準化工作。2019年10月第83屆IEC大會上，美國代表提出成立寬禁帶工作組的建議，旨在圍繞第三代半導體材料與器件相關術語、試驗、設計、工藝、可靠性等開展標準化工作，引導和推動第三代半導體材料的發展。目前IEC發布的半導體材料標準有4項，聚焦于碳化硅外延、氮化鎵外延缺陷的分類和檢測方法，具體項目見表1，其 中IEC 63068-1:2019、IEC 63068-2:2019、IEC 63068-3:2020已申報轉化為國家標準。

表1 半導體材料領域的IEC標準

3 ASTM標準

美國材料與試驗協會是美國致力于工業材料技術開發、標準化建設及產業鏈優化而建設形成的非營利組織，與半導體材料較為相關的是ASTM F01電子學（Electronics）。但F01側重金屬材料、印制電子材料的標準化建設[2]，大部分半導體材料標準均轉為了SEMI標準。經查詢，目前ASTM在半導體材料領域的標準僅有一項，即ASTM F76-08(2016) 半導體單晶電阻率、霍爾系數和霍爾遷移率的測試方法 （Standard Test Methods for Measuring Resistivity and Hall Coefficient and Determining Hall Mobility in Single-Crystal Semiconductors）。

4 JIS標準

日本工業標準調查會成立于 1949年，是根據日本工業標準化法建立的全國性標準化管理機構，其主要任務是組織制定和審議日本工業標準(JIS)、調查和審議 JIS標志指定產品和技術項目。JIS標準細分為土木建筑、一般機械、電子儀器及電器機械、汽車、鐵路、船舶、鋼鐵、非鐵金屬、化學、纖維、礦山、紙漿及紙、管理系統、陶瓷、日用品、醫療安全用具、航空、信息技術、其他共19類，半導體材料歸屬于H-非鐵金屬，現行標準共有13項，具體見表2。近年來日本工業標準調查會在半導體材料領域也無新的動態，反而是日本國家委員會在IEC TC47寬禁帶工作組牽頭編寫了多項標準。

表2 半導體材料領域的JIS標準

5 SEMI標準

5.1 SEMI組織

國際半導體產業協會主要從事傳遞產業主張、設立咨詢委員會、舉辦SEMICON國際展會、推動公共政策、開展市場研究等工作。1973年為解決硅材料市場標準混亂問題，SEMI成立了標準委員會，旨在聯合全球半導體應用、研究、開發單位等制定材料、設備及檢測標準。

SEMI自1988年起開始在中國開展業務。為了統一在半導體設備和材料領域內與SEMI開展技術和標準的交流，1993年經國家技術監督局批準，成立了“SEMI中國標準化委員會”。SEMI雖然是國際上半導體設備和材料領域內的全球性組織，卻不是官方機構，2003年“SEMI中國標準化委員會”轉為“全國半導體設備和材料標準化技術委員會（TC203）”，逐步不再代表中國統一對口SEMI。

經過四十余年的發展，SEMI成為了國際半導體產業中知名度很高的標準組織。與國內標委會按照材料大類別進行業務劃分的方式不同，部分SEMI標準按照產業鏈布局，比如Photovoltaic（光伏）領域中包括了原生硅料、硅片、電池片、組件以及光伏用硝酸、超薄玻璃、單晶爐內加料器等整個產業鏈上的材料、設備對應的標準，而這些標準在國內則對應五個乃至更多標委會。SEMI標準的這種工作模式打破了行業間的界限，一定程度上可以更好的實現上下游的融合，但在國內標準化歷史背景下，不易在政府主導的國家標準、行業標準范圍實現單個標委會歸口某類產業鏈的標準體系。

我國的半導體材料產業整體上還是落后于國際先進水平，尤其是一些先進半導體材料、關鍵測試設備等還依賴進口，所以我國在SEMI標準中的話語權不多。隨著中國半導體產業尤其是光伏、LED的發展，2011年以來，SEMI先后于中國成立了光伏、HB-LED、化合物半導體領域的標準技術委員會，以擴大SEMI在中國的影響力，吸引更多的中國企業參與SEMI標準的制定。我國已經在光伏、HB-LED領域牽頭制定了一些SEMI標準，比如SEMI PV74-0216《硅中氯離子含量的測定 離子色譜法》、SEMI HB10-1018《HB-LED晶片制造用藍寶石單晶規范》等。SEMI中國在國內有自己的工作人員，目前都是企業自主決定是否參與SEMI標準并直接對接SEMI中國標委會，國內TC并未實質性地參與相關工作。

5.2 與SEMI標準的比對

SEMI標準按專業方向分為18個領域，其中與半導體材料相關的主要有材料（Materials）、硅材料及工藝控制（Silicon Materials & Process Control）、光伏（Photovoltaic）、 高亮度LED（HB-LED），已發布的標準分別有72項、68項、98項、13項。國內已發布半導體材料標準共270項，其中“采用”或參照SEMI標準的有77項，包括基礎標準7項，方法標準54項，產品標準16項，合計占比28.52%。

我國的基礎標準、方法標準與SEMI標準基本一致，這樣與國際接軌，有利于指導我國企業進行生產和試驗研究。例如，基礎標準中GB/T 16595-2019《晶片通用網格規范》、GB/T 16596-2019《確定晶片坐標系規范》、GB/T 32279-2015《硅片訂貨單格式輸入規范》分別參照SEMI M17-1110（1015）、SEMI M20-0215、SEMI M18-0912進行編制，技術內容上基本一致。SEMI標準中的方法標準大都是由國外設備廠商牽頭制定，也是為了推廣相應的測試技術和設備。我國半導體材料測試用設備如ICP-MS、SIMS、TXRF等大都進口，方法標準起草過程中均會研究對應的SEMI標準，結合實際使用經驗進行編制。同時，我國也有部分標準整合了SEMI標準的內容，提高了標準的適用性和可操作性，如GB/T 19921《硅拋光片表面顆粒測試方法》整合了SEMI M50-1116、SEMI M49-0918、SEMI M52-0214、SEMI M53-0219等多個標準。

產品標準方面，SEMI標準中的產品技術要求較為寬泛，具體技術指標的要求大都是通過供需雙方簽訂的供貨協議或合同進行詳細的規定。我國產品標準根據國內實際生產水平，結合客戶需求以及國外同等產品的要求，對具體技術指標進行更為全面和詳細的規定，且大都為通用產品標準，如GB/T 12964-2018《硅單晶拋光片》適用于直拉法、懸浮區熔法制備的直徑不大于200 mm的硅單晶拋光片，可用于制作分立器件、功率器件以及硅外延片的襯底。實際上半導體材料的使用非常復雜，同樣是200mm硅單晶拋光片，后端應用制程不同時，對拋光片的要求有明顯區別，不同客戶對于同樣用途的拋光片也會要求不同，產品的具體技術要求都是按照客戶的規格書執行，所以半導體晶片的產品標準中更多是檢驗方法、取樣、檢驗結果判定這類內容在發揮標準化的作用。

總體而言，SEMI標準以方法標準、基礎標準為主，管理更為靈活，活躍標準的更新較快，屬于市場主導的先進團體標準。但是SEMI標準并非國際標準，國內標準在編寫過程中參考SEMI標準是否存在版權問題，需要再行研究確認，國標、行標中不允許引用SEMI標準更是對制定對應的國內標準提出了迫切需求。而在ISO或IEC國際標準化技術組織中制定半導體材料國際標準的難點一是如何獲得半導體行業的認可，二是如何避免造成與現有SEMI標準的不一致，也是需要深入研究分析其可行性。

6 結語

半導體應用市場的需求、產業政策的扶持，正在加速我國半導體產業鏈的全面升級，國內半導體材料正在以破解卡脖子、補短板、國產替代為主要方向大力推進。中美技術爭端仍在持續，但長期看也必將促進中國半導體產業自主可控的戰略發展。國外標準動態一定程度上反映技術發展方向，我國半導體材料標準工作需要熟悉國內外產業發展趨勢，不斷跟進國外標準尤其是SEMI標準的動態，及時完善我國的標準體系，促進、支撐產業的發展。歸根結底，關鍵還是自身在半導體材料產業實力的進步，才能提升我國在半導體產業鏈及標準中的地位。